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电池的未来

电池的未来问题并不像问“技术发展如何？2030年电池会是什么样子？它将如何工作？你想得越多，它就越有趣。或者什么电池最受欢迎？”“不断变化的技术趋势。”我唯一可以绝对确定的是，电池的未来将与我们今天使用的电池不同。

 

电池未来发展趋势

首先要考虑的问题是，未来的社会会是什么样的，它将如何影响驾驶技术的演变、监管标准、地区差异等？在21世纪初，我看到欧洲、日本、美国、中国和许多其他国家的政府对其燃油经济性和二氧化碳排放标准进行了重大调整，以支持更高效的汽车。这一趋势实际上始于20世纪70年代。

 

 

随着全球人口的持续增长，各国政府对新的清洁能源解决方案的需求仍然很高。另一个必须考虑的因素是人口增长将集中在哪里。从目前的所有预测来看，大部分增长将发生在大城市。即使速度比前几十年略慢，世界人口仍在继续增长，预计将继续出现2000多万人口的超大城市，锂离子电池技术必须继续发展才能满足这一增长趋势。

 

人口增长的幅度和集中度将推动许多技术的巨大变化，以解决自然资源和排放的枯竭、温室气体和污染的影响。例如，公用事业等公共职能，在历史上一直由国家高度集中，将演变成一个更加分散的生产和储存系统。

 

如今，电力是通过燃烧煤炭、核能和水力发电大规模生产的，并通过电网输送给消费者。但在未来，电力将更有可能在当地生产和储存。我们可能会发现屋顶上覆盖着太阳能电池板，公共区域的风力涡轮机等等，所有这些都需要电池系统来将电力均匀地分配到超大城市的每个家庭。

 

运输部门不会错过技术转型。一个有趣且不断增长的趋势是，渴望拥有汽车的年轻人越来越少，取而代之的是，许多人使用汽车共享服务，住在有公共交通的地区。他们没有购买一辆日夜闲置的汽车，而是只在需要的时候付款。在日本的一些地区，我们也看到了“个人交通”的趋势，这将导致消费者使用车辆的方式发生重大转变。

 

 

世界其他地区希望效仿日本城市的趋势，可能是因为日本的人口密度比世界上大多数其他地区都要高。随着人口增长放缓，实际上已经转为负值，日本人口众多的城市正在老龄化，并在寻找满足老年人口需求的方法。当然，我们不能忽视中国和印度不断增长的市场，在这两个国家，拥有汽车是地位的象征，并将继续经历大量增长。

 

但随着汽车需求的快速增长，超大城市将面临高污染和有限的停车位。交通运输的最新发展是自动驾驶汽车的出现。随着这些车辆的大量引进，它们将继续推动与之相关的辅助技术的进步。

 

电池未来的技术趋势

不幸的是，电池技术并没有按照摩尔定律发展。摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔于1965年提出的：“在不变的价格下，集成电路上可容纳的晶体管数量将翻一番，性能大约每18个月翻一番。换句话说，每一美元的计算机功率将每18个月中翻一番以上。”

 

这一规律揭示了信息技术进步的速度。事实证明，这在半导体行业是非常准确的，但不幸的是，它不适用于电池。如果我们回到1991年，当锂离子电池被引入民用市场时，我们看到产能每年仅增长5%至6%。电池技术并非每年都翻一番。

 

回到本文开头的原始问题——2030年电池的未来会是什么样子？当前的电池技术将如何发展以满足这些不断增长的需求？真的有“革命性”或“突破性”的技术吗？

 

不幸的是，我们过度使用“突破性技术”这个词已经太久了。就改进而言，这些都是自然的发展，而不是最小的突破。让我们思考一下突破性技术这个术语，以及它对电池未来的真正意义。什么时候一项技术可以被视为突破？突破性技术的出现往往会导致现有技术的彻底改变或终止。

 

汽车彻底摧毁了马车市场，最终彻底取代了马车。仅仅用了几年左右的时间，个人电脑就几乎完全取代了打字机。电话取代了电报，便携式电话在短短几年内几乎取代了固定电话。因此，当技术取代并超越之前的技术时，就定义了技术突破。

 

 

那么，从这个角度来看，锂离子电池是一项突破性技术吗？事实并非如此，它既不能取代铅酸电池，也不能取代内燃机（至少在撰写本文时没有）。但这是一种互补的技术吗？当然是这样，因为它比目前的混合动力方案有了显著的改进。

 

锂离子电池有两个特性，可以使其成为真正的突破性技术；能量密度和功率密度。目前的锂离子电池技术只能提供汽油或煤油的十分之一左右的功率，这意味着以目前的锂电池化学性质，仅靠电池功率无法达到石油动力汽车的续航里程——这种情况会改变吗？

 

功率密度的问题与能量密度的问题相似。为了取代汽油发动机，电池技术的未来必须更小，同时将电池的功率和功率提高到与液体燃料汽车相同的水平。

 

与此同时，我们必须考虑另一个问题——成本。即使有人设计出一种可以提供与汽油动力汽车相同能量的电池技术，如果电池成本没有随着能源的增加而下降，这也不是一种可行的电池未来解决方案，也不会获得大众市场的青睐。在工业中，由于一定程度的标准化和产量的增加，我们可能会看到成本优化。我们发现，一定程度的标准化肯定会为成本结构带来好处。但该标准也必须足够灵活，以允许技术随之改进和发展。

 

从汽车制造的角度来看，一旦一项技术被引入汽车，它将持续5到10年，这大约是标准化汽车系统的寿命。这是什么意思？这意味着如今市场上的电动汽车使用的电池是用三到五年前的技术制造的。

随着我们看到个人电子产品变得更小、更薄甚至可穿戴，便携式电源行业也将有助于推动技术创新，因此便携式电源是一些先进电池技术的早期采用者，这些技术将与便携式电源一起发展。

 

电池技术的未来发展趋势

电池技术的哪些变化将使锂离子电池成为真正的突破？毫无疑问，电池系统将继续进步，但这会是一个真正的突破吗？这很难回答。锂已经是元素周期表中最轻的金属，因此除了锂基技术之外，没有太多的进一步研究选择。因此，电池的未来可能不是来自于取代锂，而是来自于其他材料。

 

传统的锂离子电池基本上有三个部分可以改进：阴极、阳极和电解质。通过研究这三个部分，研究人员旨在提高锂离子电池的可用开路电压和能量密度，提高电池的安全性和寿命。

 

 

让我们从阳极开始。硅和锡阳极材料由于其高比容量和有望提高电池的能量密度，在过去几年中受到了很多关注。尽管理论上可以通过使用硅或锡负极来实现高达300%或更高的能量密度增加，但实际的增加通常只有其三分之一左右，但这仍然将锂离子电池的比能推到与液体燃料竞争的水平。

 

然而，由于充放电循环中电极片的体积膨胀率大，这两种材料都存在循环寿命短的问题。但这并不意味着我们应该放弃他们。目前正在努力解决这个问题，例如使用纳米材料技术，石墨、石墨烯或其他材料复合或涂有硅或锡元素，可以显著缓冲材料的体积膨胀。

 

我们注意到，个人电子产品正在变得更小、更薄、可穿戴，正是这种先进的技术开始应用于便携式电源行业。

 

与运输和储能相比，这些应用需要更少的电池系统寿命，为这些电池解决方案的开发和测试提供了良好的机会。我相信，随着这些新的阳极技术的不断发展，它最终将部分取代目前的石墨基阳极材料。

 

阴极材料也出现了一些渐进式的改进。例如，为了利用不同材料的各自优点，将不同的化学品组合或混合。但根据目前的研究水平，电池未来取得重大进展的可能性很小。

 

在未来的电池中，电解质和隔膜也将发生逐渐的变化。电解质对于提高锂离子电池的开路电压至关重要。目前，人们对电解质添加剂进行了许多尝试，并报道了大量关于新型电解质的研究，这些电解质可能比目前的添加剂技术更安全。隔膜也受到了关注，但几乎所有这些都集中在提高电池安全性上。

 

许多锂离子电池公司开始使用陶瓷涂层隔膜，因为与传统的聚丙烯酸酯-聚乙烯隔膜相比，陶瓷涂层隔膜对电解质的渗透性更强，并且在更高的温度下稳定有效地工作。

 

我们能否看到其他类型的技术改进，为电池和锂离子电池的未来带来真正的变革性发展？固态电池可能是最引人注目的新技术之一。固态电池不使用液体电解质，其优点之一是能量比高。

 

与传统的锂离子电池相比，固态电池可以减少流体收集量，并且不含隔膜。此外，固态电池预计更安全，因为它们不含有易燃和泄漏的液体电解质。然而，由于固态电池的研发尚处于起步阶段，到目前为止，固态锂离子电池的应用大多为毫安时量级。如果这些电池能够成功地扩大规模，它们可能会在更大规模的应用中具有竞争力。

 

锂空气电池也是一种处于研究阶段的新型电池系统。锂空气电池使用锂金属阳极，连接到固体电解质层，该固体电解质层与空气中的氧气“机电耦合”。它可以提供非常高的能量密度、非常平坦的放电曲线，只要不暴露于空气中的水和二氧化碳，几乎可以无限使用，并且有望具有一系列好处，包括低成本和环境友好。然而，锂空气电池也面临着严峻的挑战，其中最大的挑战是其有限的功率输出能力。

 

 

在过去二十年左右的时间里，燃料电池取得了重大进展，受到了很多关注。微型燃料电池、汽车燃料电池和超大燃料电池已经上市。燃料电池本质上是发电机，在许多应用中与锂离子电池重叠。如果基础设施和燃料供应成本得到解决，燃料电池可能会取代部分锂离子电池市场。

 

另一种不断发展的储能技术是电容器，包括双层电容器和超级电容器。这些技术在历史上被认为只适用于极短、高功率、爆炸性的能源需求。目前的研究旨在提高电容器的能量密度，从而使其与传统电池更具竞争力。此外，由于电容器制造与锂离子电池制造非常相似，预计电池制造商将在其电池产品中添加电容器技术。

 

结论

锂离子电池技术对当前电池性能有很大的改进和进一步改进潜力。随着需求的增加，电池成本将继续下降，前面提到的电池性能的技术改进将有助于降低成本。如果电池技术进展顺利，下一代电池技术将很快问世。然而，作者认为，很难实现美国能源部和先进电池联盟等组织设定的每千瓦时100至150美元的成本目标。

 

目前，18650锂离子电池正以每年近7亿个电池的速度大规模生产，其价格已在170美元至220美元/千瓦时的范围内触底。那么，如何改进这项技术，使新的大型电池价格合理，足以满足美国能源部的要求呢？由于电池的体积与电池的实际活性材料的体积不同，因此改变电池技术以降低成本是很重要的。

 

超大城市的发展将推动清洁能源生产和储存技术的发展。基于电池的储能系统很可能成为为这些城市提供不间断电力的重要组成部分。交通系统将被迫采用电气化，以减少对城市空气的影响。